华南师范大学增城学院
课程设计（报告）
题目：（温度PID控制系统设计）
课 程 名 称 微机控制技术 考 查 学 期 2013 / 2014学年 第 2 学期 考 查 方 式 课程论文 姓 名 苏满湖 学 号 专 业 应用电子 成 绩 指 导 教 师 文哲雄
微机控制技术课程设计 苏满湖 摘要 在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID 控制,又称PID 调节. PID 控制器问世至今已有近70 年历史,它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。使用PID恒温调节，会使得我们取得需要的实验结果。 关键词：比例；积分；微分；恒温；PID控制
目录
一、绪论 ...............................................................1 二、设计要求和目的 .....................................................1 三、PID控制器 .........................................................1
3.1PID原理 ........................................................1 3.2比例(P) 控制 ...................................................2 3.3积分(I) 控制 ...................................................2 3.4微分(D) 控制 ..................................................2 3.5模拟型PID控制器 ...............................................2 四、为什么采用PID算法 .................................................4
4.1PID怎么控制温度 ................................................4 4.2PID温度调节的分析 ..............................................4 五、恒温控制系统硬件设计 ...............................................4
5.1系统结构 .......................................................4 5.2、AT89S52单片机 ................................................5 5.3外部时钟模块 ...................................................5 5.4电路复位模块 ...................................................6 5.5温度传感器 .....................................................6 5.6显示模块（12864） ..............................................7 5.7加热控制电路 ...................................................8 5.8电源模块 .......................................................9
5.8.1电源变压器 ...............................................9 5.8.2整流滤波电路 ............................................10 5.8.3稳压电路 ................................................10 5.9键盘模块 ......................................................10 5.10报警模块 .....................................................10 5.11执行模块 .....................................................11 六、恒温控制系统软件设计 ..............................................12
6.1PID计算程序 ...................................................12 6.2主程序流程图 ..................................................13 6.3键盘控制流程图 ................................................14 6.4显示模块（12864）程序与流程图 .................................14 6.5PID控制算法 ...................................................17 6.6PID控制器的参数整定 ...........................................18 七、调试过程及结果 ....................................................18 八、心得体会 ..........................................................19 参考文献： ............................................................19
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一、绪论
本设计的温度控制器在从生活工具到工业应用的各个领域，就例如：生活工具
的电梯、工业生产中的现场控制仪表、数控机床等。尤其是用单片机控制器改造落后的设备具有性价比高、提高设备的使用寿命、提高设备的自动化程度的特点。现代工业设计、工程建设及日常生活中常常需要用到温度控制,早期温度控制主要应用于工厂中，例如钢铁的水溶温度，不同等级的钢铁要通过不同温度的铁水来实现，这样就可能有效的利用温度控制来掌握所需要的产品了。人类的生活环境中，温度扮演着极其重要的角色。温度是工业生产中常见的工艺参数之一，任何物理变化和化学反应过程都与温度密切相关，因此温度控制是生产自动化的重要任务。对于不同生产情况和工艺要求下的温度控制，所采用的加热方式，燃料，控制方案也有所不同。无论你生活在哪里，从事什么工作，无时无刻不在与温度打着交道。自18世纪工业革命以来，工业发展对是否能掌握温度有着绝对的联系。在冶金、钢铁、石化、水泥、玻璃、医药等等行业，可以说几乎80%的工业部门都不得不考虑着温度的因素。
二、设计要求和目的
应用设计应该突出控制系统中的作用，重点介绍硬件电路组成，微型机系统，元器件的选择，电路工作原理以及整个控制系统的设计思想，硬件电路设计和软件程序设计。介绍温度控制的应用场合，有什么实际意义；目前温度控制有哪些控制算法，控制效果如何？控制精度怎样？分别应用在什么地方？本次课程设计采用的硬件组成和控制算法。
三、PID控制器
3.1PID原理
在我们实际的工程中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID 控制,又称PID 调节. PID 控制器问世至今已有近70 年历史，它以结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一当被控对象的结构和参数不能完全掌握或得不到精确的数学模型,控制理论的其他技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID 控制技
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微机控制技术课程设计 苏满湖 术最为方便。即使当我们不完全了解一个系统和被控对象,或是不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，也适合采用PID 控制技术。
3.2比例(P) 控制
比例控制是一种最简单的控制方式,其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时,系统输出存在稳态误差。
3.3积分(I) 控制
在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。积分项的误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项误差会增大。这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大,使稳态误差进一步减小,直到等于零。 因此，比例+ 积分(PI) 控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
3.4微分(D) 控制
在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率) 成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳,原因是由于存在有较大惯性组件(环节) 或有滞后(delay) 组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。 解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。这就是说,在控制器中仅引入“比例”项是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。 所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+ 微分(PD) 控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
3.5模拟型PID控制器
模拟PID 控制器的原理如图所示,其中r为系统给定值，y ( t) 为实际输出，u ( t) 为控制量。
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图3-1 模拟PID控制系统的原理框图
PID是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出 y(t)构成控制偏差。 e(t)=r(t)一y(t)
将偏差比例(P)、积分(I)和微分(D)通过一定的线性组合构成控制量 U(t)对被控对象进行控制。它的控制规律为：如图:
图3-2 控制规律图
式中：KP 为比例系数；KI为积分时间常数；KD为微分时间常数。 将上式进行离散化处理，可得PID离散表达式：如图
图3-3 PID离散表达式图
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四、为什么采用PID算法
4.1PID怎么控制温度
现在来讲，没有一种控制算法比PID调节规律更有效、更方便的了。现在一些时髦点的调节器基本源自PID。因为PID解决了自动控制理论所要解决的最基本问题，既系统的稳定性、快速性和准确性。调节PID的参数，可实现在系统稳定的前提下，兼顾系统的带载能力和抗扰能力，同时，在PID调节器中引入积分项，系统增加了一个零积点，使之成为一阶或一阶以上的系统，这样系统阶跃响应的稳态误差就为零。
4.2PID温度调节的分析
系统执行电路采用可控硅调节方式。可控硅调节方式一般有2种。 一种是移相法；其原理是通过调节可控硅的触发相位的相位的相位角达到 对电压的调节，这个电压是有效的电压，直观上就是对一个正弦波的前边剪掉一块， 用不同的切割位置以保留剩余的面积。
另一种是控制时间比例的方法，就是，在给定周期里改变可控硅的接通时间， 就达到改变加热功率的目的，之后就能实现温度调节。
五、恒温控制系统硬件设计
5.1系统结构
该系统的控制对象是水温，水温经过温度传感器DS18B20转化成电压信号，经A/D转换成计算机可以接受到的数字信号，保存在89C52单片机采样值单元中；再利用键盘输入设定温度，经温度标度转化成二进制数，保存到单片机的存储单元中；然后，调用显示子程序，显示设定温度和采样温度，然后把采样值与设定值输入单片机内进行数字PID控制算法的运算，运算结果由单片机输出，通过可控硅交流调压装置来控制时间的导通和关断，在达到设定温度后利用PWM方法来保持此温度，以此来调节温度。
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图5-1 系统原理图
5.2、AT89S52单片机
AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/Vpd（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0~P3 为可编程通用I/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（32~39 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。
5.3外部时钟模块
本电路板将会使用11.0592晶振，一个机器周期为1us。XTAL1（19脚）和XTAL2（18脚）：外接晶体引脚，XTAL1和XTAL2分别接外部晶振的一段。在晶振的两侧也分别接2个30PF的微调电容。如图：
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图5-2 外部时钟图
5.4电路复位模块
复位电路的RST引脚是复位信号的输入端，如图：
图5-3 电路复位图
5.5温度传感器
温度测量转换部分是整个系统的数据来源，直接影响系统的可靠性。传统的温度测量方法是：温度传感器例如AD590，将测量的温度转换成模拟电信号，再经过A/D转换器把模拟信号转换成数字信号，单片机再对采集的数字信号进行处理[3]。这种模拟数字混合电路实现起来比较复杂，滤波消噪难度大系统稳定性不高，鉴于这些考虑，本设计采用数字式温度传感器DS18B20。
DS18B20支持“一线总线”接口，测量温度的范围为-55°C～+125°C，现场温度直接以“一线总线”的数字式传输，大大的提高了系统的抗干扰性。DS18B20为3引脚， DQ为数字信号输入/输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。
测量机构采用温度传感器DS18b20作为温度测量电路核心器件，DS18b20三端器件，只需要一个直流电源，功率的需求比较低，可测量范围-40—180°C，其输出是高阻抗电流，因而大阻值的电阻对器件工作影响不大，具有非常好的线性输出性能。
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图5-4 温度采集电路图
DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625℃/LSB形式表达，其中S为符号位。数据转换如下表
表5-1 DS18B20温度数据转换表
这是12位转化后得到的12位数据，存储在18B20的两个8比特的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，如果测得的温度大于0，这5位为0，只要将测到的数值乘于0.0625即可得到实际温度；如果温度小于0，这5位为1，测到的数值需要取反加1再乘于0.0625即可得到实际温度。
5.6显示模块（12864）
显示模块采用1.5寸单色LCD液晶显示屏12864图形点阵，可以显示汉字及波形，用户还可以根据自 己的喜好制作显示图形，有良好的显示效果。
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图5-5 显示模块（12864）图
5.7加热控制电路
控制电路图如下图。用于在闭环控制系统中对被控对象实施控制，被控对象为电热杯，采用对加在电热杯两端的电压进行通断的方法进行控制，以实现对水加热功率的调整，从而达到对水温控制的目的。对电炉丝通断的控制采用SSR-40DA固态继电器。它的使用非常简单，只要在控制端TTL电平，即可实现对继电器的开关，使用时完全可以用 NPN型三极管接成电压跟随器的形式驱动。当单片机的P1.3为高点平时，三极管驱动固态继电器工作接通加热器工作，当单片机的P1.3为低电平时固态继电器关断，加热器不工作。
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图5-6 加热控制电路图
5.8电源模块
电源电路可分为三大块：变压部分、整流滤波部分、稳压部分，如图：
图5-7 电源模块图
5.8.1电源变压器
变压部分其实就是一个变压器，变压器作用是将220V的交流电压变换成我们所需的电压9V。然后再送去整流和滤波。
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5.8.2整流滤波电路
整流电路将交流电压变成单向脉动的直流电压；滤波电路用来滤除整流后单向脉动电压中的交流成份，合之成为平滑的直流电压。滤波电路常见的有电容滤波电路、电感滤波电路。一般的整流有全波整流、单相半流整流、桥式整流、及变压整流。
5.8.3稳压电路
在这的稳压电路中我使用的是“三端固定输出集成稳压器”，稳压电路的作用是当输入交流电源电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压的稳定。集成稳压器、使用方便、性能稳定、更重要的是考虑到它的价格低廉，因而我在此使用。
5.9键盘模块
矩阵键盘作为数字按键0-9输入，输入设定值，编程简单，独立按键控制电路的启停。
图5-8 键盘模块图
5.10报警模块
当单片机给个触发信号，三极管导通,蜂鸣器发出警报声。当温度超过一定度数的时候，蜂鸣器会响，当温度低于一定度数的时候，蜂鸣器会响。
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图5-9 报警模块图
5.11执行模块
执行机构是可控硅交流调压装置，其输入信号为高电压电平，通过改变输入信号来调节加热炉丝的电压。
图5-10 执行模块图
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六、恒温控制系统软件设计
6.1PID计算程序
PID调节规律的基本输入输出关系可用微分方程表示为：
式中e(t)为调节器的输入误差信号，且
其中：r(t)为给定值，)(tC为被控变量； u(t)为调节器的输出控制信号； Kp为比例系数； Ti为积分时间常数； TD微分时间常数。
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6.2主程序流程图
图6-1 主程序流程图
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6.3键盘控制流程图
图6-2 键盘控制流程图
6.4显示模块（12864）程序与流程图
#include \"DS18B20.h\"
//unsigned char Init_DS18B20_flag = 0;
/***********ds18b20延迟子函数（晶振12MHz ）*******/ void delay_18B20(unsigned int i) { while(i--); }
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微机控制技术课程设计 苏满湖 /**********ds18b20初始化函数**********************/ void Init_DS18B20(void) {
unsigned char x=0; DQ = 1; //DQ复位 delay_18B20(8); //稍做延时 DQ = 0; //单片机将DQ拉低 delay_18B20(80); //精确延时 大于 480us DQ = 1; //拉高总线 delay_18B20(14);
x = DQ; //稍做延时后 如果x=0则初始化成功 x=1则初始化失败 delay_18B20(20);}
/***********ds18b20读一个字节**************/ unsigned char ReadOneChar(void) {
unsigned char i=0;
unsigned char dat = 0; for (i=8;i>0;i--) {
DQ = 0; // 给脉冲信号 dat>>=1;
DQ = 1; // 给脉冲信号
if(DQ)
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dat|=0x80; delay_18B20(4);
} return(dat);}
/*************ds18b20写一个字节****************/ void WriteOneChar(unsigned char dat) {
unsigned char i=0;
for (i=8; i>0; i--)
DQ = 0;
DQ = dat&0x01;
{
delay_18B20(5); DQ = 1;
dat>>=1; }}
/**************读取ds18b20当前温度************/ unsigned char ReadTemperature(void) {
unsigned char a=0; unsigned char b=0; //unsigned int t=0;
unsigned char flag;//初始化是否成功标志位 0,成功 1,失败 //flag=Init_DS18B20(); Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); // 跳过读序号列号的操作
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WriteOneChar(0x44); // 启动温度转换
delay_18B20(100); // this message is very important Init_DS18B20();
WriteOneChar(0xCC); //跳过读序号列号的操作
WriteOneChar(0xBE); //读取温度寄存器等（共可读9个寄存器） 前两个就是温度
图6-3 显示模块（12864）流程图
6.5PID控制算法
数字PID算法由软件实现，所谓PID控制就是按设定值与测量值之间的偏差的比例、偏差的累积和偏差的变化的趋势进行控制。它根据采样时刻的偏差计算控制量。因此 PID控制规律的实现，必须采用数值逼近法。当采样周期相当短时，可以用求和代替积分，用差商代替微分，那么就是作如下变化：
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K为采样序号，k=1,2,3,4.。。。。；T为采样周期。
显然，上述离散化过程中，采样时间T必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e（kt）简化表示成e（k）等，即省去T。可以得到离散的PID表达式：
该系统采用增量式PID控制算法，是指数字控制器输出知识控制量的增量，该算法编程简单，数据可以递推使用，占用存储空间少，最优越的特点是运算快。
6.6PID控制器的参数整定
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：一是理论计算整定法。它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。本设计采用PID归一整定法把对控制台三个参数（Kc、Ti、Td,）转换为一个参数PK， 从而使问题明显简化。以达到控制器的特性与被控过程的特性相匹配,满足某种反映控制系统质量的性能指标。
七、调试过程及结果
刚开始调试的时候，出现了显示器没有反应的情况，经过反复研究，发现是程序出了点差错，然后经过修改，就可以实现显示的功能。测试结果是，当温度超出一定的度数或者低于一定的度数的时候，蜂鸣器会报警，温度PID控制器会调节温
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微机控制技术课程设计 苏满湖 度，使温度变回正常值，然后蜂鸣器熄灭。
八、心得体会
本次课程设计要从硬件和软件两个方面具体描述了基于数字PID算法的恒温控制系统，该系统充分发挥了STC89c52单片机对模拟量的采集处理和增量式数字PID控制算法的功能，可以灵活的调节控制信号的导通时间来控制加热电路和降温电路的工作。基本满足了温度控制的要求，具有超调量小，振荡幅度小，设定值可以随时更改设定等优点，同时该系统还避免了控制过程中的不定性及噪声，提高了系统的工作效率。理论和实践证明，该系统具有较高的可靠性、高性价比、控制简单方便等优点，大大提高测量的精度。通过应用所学过的传感器知识，计算机数据采集知识和控制算法，相互合作完成试验。由于设备不够齐全，最终结果未能完成，但是实验的过程让我们了解了PID控制的原理及操作步骤，之后还进一步了解了PID在其他工业领域的用途。只有我们认真去了解过这方面的知识，才会更加深刻地学习到我们的专业知识，加以应用。
参考文献：
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[5]蒋纯谷.模糊PID在PLC中的应用方法研究[M].广东，广东纺织职业技术学院，2011-06-10.
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